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LED封裝用陶瓷材料 - 高功率LED封裝基板技術分析

2011年11月07日 14:00 本站整理 作者:秩名 用戶評論(0
LED封裝用陶瓷材料分成氧化鋁與氮化鋁,氧化鋁的熱傳導率是環氧樹脂的55倍,氮化鋁則是環氧樹脂的55倍400倍,因此目前高功率LED封裝用基板大多使用熱傳導率為200W/mK的鋁質,或是熱傳導率為400W/mK的銅質金屬封裝基板。

  半導體IC芯片的接合劑分別使用環氧系接合劑、玻璃、焊錫、金共晶合金等材料。LED芯片用接合劑除了上述高熱傳導性之外,基于接合時降低熱應力等觀點,還要求低溫接合與低楊氏系數等等,符合這些條件的接合劑分別是環氧系接合劑充填銀的環氧樹脂,與金共晶合金系的Au-20%Sn。

  接合劑的包覆面積與LED芯片的面積幾乎相同,因此無法期待水平方向的熱擴散,只能寄望于垂直方向的高熱傳導性。

  圖17是熱傳導差異對封裝內部的溫度分布,與熱流束特性的模擬分析結果,封裝基板使用氮化鋁。根據仿真分析結果顯示LED接合部的溫差,熱傳導性非常優秀的Au-Sn比低散熱性銀充填環氧樹脂接合劑更優秀。

  

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  有關LED封裝基板的散熱設計,大致分成:

  ●LED芯片至框體的熱傳導

  ●框體至外部的熱傳達

  兩大部位。熱傳導的改善幾乎完全仰賴材料的進化,一般認為隨著LED芯片大型化、大電流化、高功率化的發展,未來會加速金屬與陶瓷封裝取代傳統樹脂封裝方式 。此外LED芯片接合部是妨害散熱的原因之一,因此薄接合技術成為今后改善的課題。

  提高LED高熱排放至外部的熱傳達特性,以往大多使用冷卻風扇與熱交換器,由于噪音與設置空間等諸多限制,實際上包含消費者、下游系統應用廠商在內,都不希望使用強制性散熱組件,這意味著非強制散熱設計必需大幅增加框體與外部接觸的面積,同時提高封裝基板與框體的散熱性。

  具體對策例如高熱傳導銅層表面涂布“利用遠紅外線促進熱放射的撓曲散熱薄膜”等等,根據實驗結果證實使用該撓曲散熱薄膜的發熱體散熱效果,幾乎與面積接近散熱薄膜的冷卻風扇相同,如果將撓曲散熱薄膜黏貼在封裝基板、框體,或是將涂抹層直接涂布在封裝基板、框體,理論上還可以提高散熱性。

  有關高功率LED的封裝結構,要求能夠支持LED芯片磊晶接合的微細布線技術;有關材質的發展,雖然氮化鋁已經高熱傳導化,不過高熱傳導與反射率的互動關系卻成為另一個棘手問題,一般認為未來若能提高熱傳導率低于氮化鋁的氧化鋁的反射率,對高功率LED的封裝材料具有正面幫助。

  結語

  隨著LED大型化、大電流化、高功率化的發展,事實上單靠封裝基板單體并無法達成預期的散熱效,必需配合封裝基板周邊的散熱材料,以及LED封裝結構才能進行有效的散熱。

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( 發表人:小蘭 )

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